2014课程学习资料3b

第六节晶体硅太阳能电池的制备工艺和检测简单介绍晶体硅太阳能电池的制备工艺，使同学们对太阳能电池的组成有一个更清晰的了解。我国是世界上最大的晶体硅太阳能电池生产国，大部分材料和设备都可以国产化，但目前国产设备明显在质量上不如国外产品。大规模生产的晶体硅太阳能电池的工艺技术处于世界领先水平。太阳能电池的产业链包括以下几个组成部分：硅材料（太阳能级多晶硅）；单晶硅拉棒（p掺杂）、多晶硅铸锭（p掺杂）、切片等电池片（这个就是常说的太阳能电池企业）、组件还有其他附属产业：电极银浆、电极铝浆、焊带、太阳能电池背板、接线盒、铝框、太阳能电缆等等都具有独立的生产企业，还有各种电池生产和检测设备，例如清洗、扩散、镀膜、印刷、烧结、测试等设备。一、制备工艺流程太阳能电池制备工艺流程是从切片后的p型基片开始的，进入生产线后先验片，将不好的硅片挑出来，或者根据硅片外观分为A级片或B级片，便于出厂产品质量管理。电池制备主要包括下列步骤，大致分为6大工序。（一）清洗和制绒晶体硅电池工艺分为单晶硅电池工艺和多晶硅电池工艺，它们大体上相同，最大的不同在于第一步的清洗制绒。单晶硅各向异性，采用强碱氢氧化钠(NaOH)腐蚀制绒，而多晶硅是各向同性，采用强酸硝酸和氢氟酸(HNO3+HF)腐蚀制绒。既然制绒是一个刻蚀硅的过程，因此制绒过程也就兼具了清洗的作用。在刻蚀的同时，去除硅片表面的机械损伤层，清除表面油污和金属杂质。多晶硅的绒面形成效果较差，制绒是否成功不能单以反射率最低为判断标准，实际上反射率很低的多孔硅，由于表面空洞过多，造成表面态过多，同电极的接触变差，大幅度降低了光电转换效率。单晶硅制绒后用酸清洗（HF和HCl），多晶硅制绒后用碱溶液清洗。最后纯水洗净甩干。（二）扩散形成PN结该工序的目的是在p型硅片的表面扩散(diffusion)一薄层磷，以形成0.1-0.3微米左右深度的pn结。扩散分为链式扩散和管式扩散，前者产量大、自动化程度高但质量控制不佳，现在大多采用管式扩散，在石英管中进行扩散，如图3-32所示，采用POCl3液态源，高温反应产生的磷沉积在硅片表面后，表面与内部存在浓度梯度，磷原子在高温驱动下穿过晶格到达其平衡位置，在硅片片面形成n型层。图3-32硅片的磷扩散掺杂（三）周边刻蚀与去PSG(a)(b)图3-33扩散后硅片周围形成的磷硅玻璃及刻蚀后硅片表面示意图管式扩散分为单面和双面扩散，前者在扩散过程中对不需要形成pn结的电池背面做了一个保护，或者两片电池的背面叠在一起，然后表面涂磷源两片一组进行扩散，现阶段大多采用单层扩散方式。扩散过程中在硅片表面会形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃（PSG）。刚完成扩散的硅片，表面不仅覆盖了反应产物磷硅玻璃，而且硅片外层被磷污染形成n型区域，呈现一种短路状态，如图3-33(a)所示。即使是单面扩散，硅片边缘以及硅片背面部分地区也会受到磷缘污染而呈现n型，硅片上下表面短路。通常采用HF把上下表面的磷硅玻璃去除，然后用HF和HNO3的混合溶液刻蚀掉边缘pn结，使前表面与背表面的n型层隔断，刻蚀后的硅片如图3-33（b）所示，边缘一周大约有宽为1mm的区域为高阻区域，防止电池前后漏电。HF和HNO3混合溶液进行刻蚀的原理同多晶硅制绒是一样的，刻蚀时硅片置于刻蚀溶液液面上，扩散面朝上，利用溶液表面张力浸润硅片周边进行刻蚀。扩散的好坏是决定太阳能电池最终转换效率高低的关键。工序2和3也可以看成一道工序，即pn结的形成。通过测量扩散后顶层的薄层电阻（方块电阻值）来确定是否形成适当的n型区，它是标志扩散到半导体中去的杂质总量的一个重要参数，也是反映扩散层质量是否符合设计要求的重要工艺指标之一，通过方块电阻可以近似推算磷扩散的平均深度。薄层电阻大约的数值在100Ω/□以内，目前的技术发展方向是向着高阻化发展，常用的单晶硅约75~90Ω/□，多晶硅约70~85Ω/□。周边刻蚀是否良好的判断标准有边缘方阻测量和边缘导电类型判别两种。边缘方块电阻如果上升4~5个数量级，或者导电类型为弱p型，则说明边缘刻蚀良好。（四）镀减反射膜（钝化层）太阳能电池最常用的减反射膜兼钝化膜是SiNx。最常用的镀膜方式是等离子增强的化学气相沉积（PECVD：PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）法。相对于其他制备技术，PECVD制备薄膜的沉积温度低，能耗较低，沉积速度较快，生产率高。而且氮化硅薄膜的质量好，薄膜均匀且缺陷密度低。更为重要的是，在PECVD过程中可以导入H2，实际上反应生成的是含有一定H原子的氮化硅膜（SiNx：H），这些H原子在后续的电极烧结等高温过程中可以扩散到Si表面，起到对悬挂键的钝化作用。Si/N的比例在0.75~2之间，根据所需要的折射率进行调整，SiNx中x增加，即Si/N减小的话，则折射率增加，密度增加。常用折射率在2.0~2.3之间，厚度70nm左右。减反射膜质量在生产过程中常通过目测检验，根据所需膜厚和折射率不同，颜色有蓝黑或蓝色等，色差和水印等不能超过整体面积的5%，镀膜前后硅片颜色变化如图3-34所示。图3-34镀减反膜前后的硅片表面颜色变化（五）电极的印刷和烧结这一工序的目的是制备前后电极。太阳能电池通过电极同外电路相连，将产生的电能输出做功。通过丝网印刷(screenprinting)工艺在太阳能电池的两面形成电极图案，然后通过高温烧结过程，将电极浆料中的有机成分烧掉，完成电极金属与硅片的合金化，使金属电极和硅片紧密接触，形成良好的欧姆接触。正面银电极在印刷时是直接印在减反射膜上的，减反射膜基本不导电，因此在烧结过程中需要破坏掉电极下的减反膜，使银电极直接同硅片接触。一般来说许多银的微小结晶会嵌入到硅片中，形成良好的导电通道，但同时也必须防止银过深的插入到硅片中，否则会严重破坏硅结构，甚至同pn结直接接触而产生短路。背面Al电极通过高温烧结形成电极的同时还形成Al重掺杂的背电场。丝网印刷技术是影响电池效率的关键技术之一。正面电极副栅线的细度和副栅线的高宽比都需要由丝网印刷技术的极限来决定。适用于丝网印刷的是具有一定粘度和流变性能的导电浆料，太阳能电池中用到的是正面银浆、背面铝浆以及背面银铝浆三种。在正面电极的两次印刷技术中，正面银浆还可细分为副栅银浆和主栅银浆两种。丝网印刷技术的原理如图3-35所示，硅片位于刻有电极图形的网板下方一定距离（称为板间距，大约2~3mm），刮刀推挤浆料并压下丝网使其同硅片接触，在通过硅片上方时，浆料从网板上有电极图形处通过网孔挤出到硅片上，然后刮刀继续往前推移，丝网因张力弹回，则浆料脱离丝网附着于硅片上，形成电极。在生产中通过称重来控制印刷电极的厚度。丝网印刷的网板是网格状编织的丝网固定在铝制框架上构成的，丝网具有一定弹性，分为不锈钢丝网和尼龙丝网两大类，尼龙丝网容易变形，目前大多采用不锈钢丝网。丝网有不同的目数，目数越高表示网格尺寸越小，丝网对浆料的透过性越低。太阳能电池丝网常用目数在250~400左右。除了有电极图形的地方用来透过浆料，丝网的其他部分都用有机薄膜覆盖封闭。图3-35丝网印刷过程示意图一般要经过3次印刷才能完成电极的涂覆，即正面银电极印刷，背面银铝电极印刷和背面铝电极印刷，有些时候正面银电极还需要分为细栅线和主栅线两次印刷。完成一次印刷后，对硅片先要进行200~250度左右的烘干，目的是挥发电极浆料中的有机溶剂等液态成分，形成干燥电极薄膜，才能继续下一次印刷。电极印刷全部完成并烘干后，对电极薄膜进行高温烧结。高温烧结在链式炉中进行。链式炉分为多个温度区间，通过硅片行进的快慢调节在每一段温区的时间，下图3-36是一个烧结温度变化的例子。整个烧结过程不超过2分钟（室温-加热-室温）。开始一分钟是30秒左右的预加热到300度，然后在十多秒内快速上升到铝硅合金的形成温度以上（577度），然后在10秒左右从600度上升到约900度，并在30秒内冷却到室温。图3-36太阳能电池电极烧结温度曲线烧结对电池片的作用和影响很大，包括：干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，使浆料和硅片形成良好的欧姆接触；铝浆烧结的目的还有形成良好的铝硅合金层（P+），铝在硅中是作为P型掺杂，它可以产生背电场减少金属与硅交接处的少子复合，从而提高开路电压和短路电流，改善对长波长光的响应；相对于铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻，即FF的变化。如果银没有同硅片形成良好接触，则串联电阻会很大，如果银穿透了n层同pn结接触，则电池内部短路了。下面简单介绍一下太阳能电池电极浆料。电极浆料主要由三部分组成：导电微粒，有机载体以及无机玻璃粉粘结剂，把他们均匀的混合在一起就形成了电极浆料。其中导电微粒是电极的功能材料部分，银浆中的导电相是微米或数百纳米的片状和球状银粉的组合，占浆料重量百分比的80以上；铝浆中的导电微粒是数微米的球状铝粉，占浆料重量的70%以上。有机载体包括有机溶剂，增稠剂和有机助剂等，主要是赋予浆料一定粘度的流动性和流变性能，方便丝网印刷。无机玻璃粉粘结剂主要是为了提高电极和硅片的附着力以及导电微粒之间的附着力，提高电极强度。对正面副栅银电极来说，无机玻璃粉在高温烧结中还同减反膜SiNx发生反应，具有腐蚀掉减反膜，使银电极同硅片直接接触的重要作用。传统的玻璃粉都含有PbO，由于环保问题，正逐渐被无铅玻璃粉取代。电极的烧结需要将有机载体部分全部烧掉，有机残留对电池性能有不利影响。（六）测试分选电极烧结是电池片制备的最后一道工序，完成后立刻进行测试分选，这是一个全自动化的工序。每一片太阳能电池都要进行标准光照下的电性能测试，然后根据效率的高低进行分类，然后进行外观检查，合格后包装出厂。电性能测试在第一章中有过简单说明。包括绘制I-V曲线图，测试出电池的各项电性能参数(包括电池效率)，Isc、Voc、Ipm、Vpm、Pmax、Rs、Rsh、I0、FF、EFF，通常按照效率档次进行分类，例如按照转换效率相差0.2%进行分档，同一档电池片按照不同颜色分选包装等。标准测试条件是AM1.5,1000w/m2,25℃，一般采用脉冲光源。太阳能电池电性能参数同电池片各工艺有一定的对应关系，例如，短路电流过低，可能原因在于减反射膜、基区扩散长度、pn结的质量、损伤层去除等方面有问题；开路电压过低，有可能边缘腐蚀不够、PN结不良，接触电阻过大等等；填充因子过低，可能在于电极方块电阻过高、电极欧姆接触形成不良等等。其他对太阳能电池质量的检查内容有：外观：外观检验—尺寸、重量符合设计要求，电池颜色均匀，无色差和污染，电极不断线，硅片应力弯曲复合要求（通常小于2mm），硅片没有损伤（边角崩坏等）。温度冲击：这是抽查项目，85℃～-40℃范围内循环5次，电池不开裂，电极不脱落，减反膜不变色；电极牢度：将引线焊接在电池上，向一个方向加重，持续10秒，电极不脱落，一般主栅银电极的可耐受最大拉力要在3N到5N以上。EL测试：给太阳能电池加上正向电压，电流流过电池pn结时会发出荧光，这是一个电致发光过程，同太阳能电池发电过程正好相反。通过观察电池片发光均匀性可以检测电池电极是否有接触不良的情况，例如电极印刷时候的断线，虚印以及针孔等不良状况。第六节晶体硅太阳能电池组件单片的太阳能电池不具有可使用性，只有由电池片构成组件才能形成独立的发电设备。我们把具有外部封装及内部连接，能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池组合装置，也就是可以独立作为光伏电源使用的装置称为太阳能电池组件(SolarModule或PVModule，也称光伏组件或太阳能电池板)。一、晶体硅光伏组件基本结构晶体硅太阳能电池单片电压多在600mV出头，一般最大功率约4.5瓦，工作电压约0.5V，在大多数的情况下不足以成为独立的发电单元，当然某些对电子产品充电的小型电源除外。典型的单晶硅电池（156156mm，面积238.95cm2），工作电压0.55V，转换效率19.0%，则输出功率4.59W，典型的多晶硅电池（156156mm，面积2